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114 台綜大微積分 A 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 A

114學年度 · 114微積分A · 第 6 題

題目

Problem

Given function f(x)=(1x)3ex4f(x) = (1-x)^3 e^{-x^4}. Find the higher derivative f(2025)(0)f^{(2025)}(0). (10%)

(6) 見解答\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

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  1. 本題要求計算函數 f(x)f(x)x=0x=0 處的第 20252025 階導數值 f(2025)(0)f^{(2025)}(0)
  2. 由於階數極高,直接求導是完全不可行的。標準方法是利用麥克勞林級數(泰勒級數)的展開項係數與高階導數的關係: f(x)=m=0cmxm,其中 cm=f(m)(0)m!f(x) = \sum_{m=0}^{\infty} c_m x^m, \quad \text{其中 } c_m = \frac{f^{(m)}(0)}{m!} 因此,一旦我們能在展開式中找出 x2025x^{2025} 項的係數 c2025c_{2025},就能利用以下關係式求出答案: f(2025)(0)=2025!c2025f^{(2025)}(0) = 2025! \cdot c_{2025}
  3. 進行泰勒展開
    • 多項式部分已是展開形式:(1x)3=13x+3x2x3(1-x)^3 = 1 - 3x + 3x^2 - x^3
    • 指數部分利用基本展開式 eu=n=0unn!e^u = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{u^n}{n!}(令 u=x4u = -x^4): ex4=n=0(1)nx4nn!e^{-x^4} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n x^{4n}}{n!}
    • 函數 f(x)f(x) 即為: f(x)=(13x+3x2x3)n=0(1)nx4nn!f(x) = (1 - 3x + 3x^2 - x^3) \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n x^{4n}}{n!}
  4. 尋找 x2025x^{2025}: 因為指數部分的次方全部都是 44 的倍數(4n4n),而多項式部分的次方只有 0,1,2,30, 1, 2, 3。 我們要拼湊出 4n+r=20254n + r = 2025(其中 r{0,1,2,3}r \in \{0, 1, 2, 3\}):
    • 2025÷4=5061    2025=4(506)+12025 \div 4 = 506 \dots 1 \implies 2025 = 4(506) + 1
    • 這說明唯一能產生 x2025x^{2025} 的組合是:多項式部分的 3x-3xr=1r=1 項)乘上級數部分的 n=506n=506 項。
  5. 提取該項係數,即可計算出最終導數。

答題過程

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首先,將函數 f(x)f(x) 寫為兩部分麥克勞林展開式的乘積: 多項式展開式:

(1x)3=13x+3x2x3(1-x)^3 = 1 - 3x + 3x^2 - x^3

指數函數麥克勞林級數:

ex4=n=0(x4)nn!=n=0(1)nn!x4ne^{-x^4} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{\left(-x^4\right)^n}{n!} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{n!} x^{4n}

因此,函數 f(x)f(x) 可以表示為:

f(x)=(13x+3x2x3)n=0(1)nn!x4nf(x) = \left( 1 - 3x + 3x^2 - x^3 \right) \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{n!} x^{4n}

根據麥克勞林級數的定義, x2025x^{2025} 項的係數 c2025c_{2025} 滿足關係:

c2025=f(2025)(0)2025!    f(2025)(0)=2025!c2025— (1)c_{2025} = \frac{f^{(2025)}(0)}{2025!} \implies f^{(2025)}(0) = 2025! \cdot c_{2025} \quad \text{--- (1)}

我們從乘積展開式中尋找次數剛好為 20252025 的項。次數必須滿足:

r+4n=2025,其中 r{0,1,2,3}, nN0r + 4n = 2025, \quad \text{其中 } r \in \{0, 1, 2, 3\}, \ n \in \mathbb{N}_0

20252025 進行除以 44 的餘數分析:

2025=4×506+12025 = 4 \times 506 + 1

這說明只有當 r=1r = 1n=506n = 506 時,才能產生 x2025x^{2025} 次方項。

我們提取該對應項的乘積:

多項式中的 (3x)×級數中 n=506 的項\text{多項式中的 } (-3x) \times \text{級數中 } n=506 \text{ 的項}

其對應的項為:

(3x)((1)506506!x4(506))=31506!x2025(-3x) \cdot \left( \frac{(-1)^{506}}{506!} x^{4(506)} \right) = -3 \cdot \frac{1}{506!} x^{2025}

由此可得 x2025x^{2025} 項的係數為:

c2025=3506!c_{2025} = -\frac{3}{506!}

c2025c_{2025} 代回式 (1) 中,即可求得高階導數值:

f(2025)(0)=2025!(3506!)=32025!506!f^{(2025)}(0) = 2025! \cdot \left( -\frac{3}{506!} \right) = -3 \cdot \frac{2025!}{506!}

結論: f(2025)(0)=32025!506!f^{(2025)}(0) = -3 \cdot \frac{2025!}{506!}